传统民居建筑照明与led技术研究

传统民居建筑照明与led技术研究

1电光源的节能技术建筑的夜间照明是一个新兴的照明方向。随着中国城市夜间照明和旅游业的发展，随着城市历史文化和旅游业的发展，古建筑作为城市重要的历史文化载体和旅游场所，其夜间景观和商业价值越来越受到重视。但现在的古建筑照明中普遍使用的电光源如高压气体放电灯、卤钨灯等等既不节能还对古建筑造成不可逆的损坏。在1999年完成的天安门城楼屋顶照明中使用的是100W的Par20卤钨灯,由于灯具表面温度较高(80℃),灯具又离琉璃瓦很近,致使灯具周围的琉璃瓦被烤裂,造成瓦面不同程度地损坏。不仅如此,来自电光源的紫外线伤害,更加速了古建筑外观的损坏程度。而LED(发光二极管)作为新兴的节能光源,有着广大的发展前景。如果说人造光源的出现被国际科技界公认为现代文明社会起始的里程碑的话,那21世纪将会因LED的出现而成为新固体光源时代。2led灯的特点对古建筑照明来说,相对于其他光源LED主要有以下八个方面的优点:(1)寿命长。LED光源理论寿命可达十万小时,实际应用寿命为4万～5万小时,这对于古建筑来说尤为重要,相对于5000～8000小时的紧凑型荧光灯、12000～20000小时的金属卤化物灯、15000～20000小时的高压钠灯,它的使用寿命是最长的,不需要频繁更换光源,可大大减少对古建筑的破坏。(2)体积小。LED的晶片面积一般为0.3×0.3mm2,由于光源本身的体积不大,灯具也都设计得非常小巧,更加便于隐藏以达到“见光不见灯”的设计效果,不仅能较好地满足无眩光干扰的设计要求,而且白天灯具的外形也不会影响古建筑的外观。(3)节能。常规的小型投光灯的功率一般都在70W左右,而LED的功率一般在0.03～1W,通过集群方式可以满足各种造型的需要,不会形成光污染,是真正的绿色光源,光效已达到了25～30lm/W,尤其适宜用在古建照明中需要采用近投光的部位。(4)安全。LED单体工作电压1.5～5V之间,工作电流20～40mA之间,人体接触无危险,由于灯体采用环氧树脂封装,抗机械冲击、抗震动能力较强且无汞、钠等有害物质,还可回收。(5)重量轻。我们设计的LED条形灯具每米只有200克重,这方面的优势对于灯具的安装来说非常有利,不需要在古建筑墙体或木结构上使用拉结构件,避免了对古建筑造成较大破坏。(6)不具有紫外光,由于其光谱中无紫外线,故无热量,无辐射损失,不会对古建筑造成紫外线伤害。(7)独立成型。由于每枚LED的配光在封装的过程中就已经完成,所以不需要再用反光碗来解决这方面的问题,简化了灯具的设计工序,也减小了灯具的体积。(8)启动速度快,色彩纯度高,需要彩色光时,其固有的色彩又避免了白光经过滤色的费时费力和耗能,尤其正对一些需要变色的设计方案,它的这个优势非常突出。不仅如此,它在颜色种类、发光效率和性价比上都还有上升的空间,因此LED被认为是21世纪的照明新光源,是继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯之后的第四代光源。3钉帽灯照明技术的应用在中国古建筑中,“如鸟斯革,如■斯飞”的各种屋面和檐下交错的斗拱是其主要特色之一,为了在夜晚也能展示出屋面的造型和斗拱的层次结构,需要专门的灯具对其照明。在选择灯具时还要考虑到灯具的体积大小不能影响其白天的景观,表面温度也不能过高以防止造成对屋面瓦、木构件以及木构件表面的油饰彩绘的损害。由于LED灯具在这几方面的优势,我们专门就针对古建筑夜景照明的相关要求,设计研制了几种灯具,下面就是这几种灯具的介绍。●微型投光灯这种投光灯(图1)整体尺寸很小,最大直径为3厘米,长度4厘米。它的光源可按要求容纳1个、2个、3个、最多可达5个LED,试验灯具每个LED功率0.05W,如果对照度的要求比较高,还可以选择1W甚至3W的LED。光源的光色有黄色、白色、红色、绿色四种供选择。我们还对灯具中LED的配置也作了测试,投光灯最开始全部配置窄光束角的LED,在试验中发现这样的配置虽然加大了投光距离,但是在距离灯具较近处会形成光斑,对整体的照明效果有所干扰。因此,又对灯具设计加以改进,采用宽光束角和窄光束角的LED互相搭配来解决微型投光灯产生的光斑和投光距离的问题。最后我们采用4个窄光束角配以1个宽光束角LED的方式来完善照明效果。这种灯具可以用于古建筑角柱上的斗拱的照明,由于体积小、好固定、方向易调节等优点,对于古建筑上需要通过照明来展示和强调的部分非常合适。在微型投光灯的基础上我们还设计出了钉帽灯来专门针对布筒瓦的屋面照明。中国古建筑中屋面面瓦按材质分为琉璃瓦和布瓦两种。面瓦按用途又分为筒瓦和板瓦。古建筑用瓦也分等级,黄色琉璃瓦为最高等级,只能用于皇室和庙宇;绿色次之,布筒瓦又次之,一般民众只能使用布板瓦。琉璃瓦屋面一般都设有钉帽,布瓦则没有,这款钉帽灯主要针对布筒瓦。对于已经安设有钉帽的琉璃瓦屋面来说,我们可以把设计的钉帽灯去掉外面的玻璃灯罩,而将内部的反光罩和LED灯体用环氧树脂浇注在一起,安装在钉帽的后方,可以达到相同的照明效果。钉帽灯的玻璃灯罩是参照古建筑上的钉帽样式制造的,其样式、大小都与古建筑上的琉璃瓦钉帽相同,外壳材料采用3mm厚的玻璃制成,朝檐口处局部磨砂,里面放置微型投光灯(图2)。这里还对微型投光灯加以改进,在灯具尾部留出一个LED大小的孔洞用于增设一个光源,两组灯的光色都为橘黄色,但一组以窄光束角为主,另一个为宽光束角。窄光束角的灯具透过透明玻璃罩朝屋脊投射,宽广束角的灯具对着磨砂玻璃面,朝檐口方向,也避免了眩光。灯具安装在筒瓦上,跟钉帽的安装位置一致,钉帽灯的安装考虑采用粘合剂与筒瓦粘接或者使用金属卡子卡住瓦面来固定的方式。由于其体积小,非常容易隐蔽安装,对古建筑的昼景观几乎没有影响,而到了夜间,由于安装位置的隐蔽和灯具本身的小体量,基本上做到了“见光不见灯”的照明效果。为了更准确地验证灯具效果,我们把灯具放在一个以等大小比例建造的、完全仿照北京故宫宁寿宫禊赏亭的木亭上作了模拟试验(图3),来测试其实际的照明效果。通过图片可以看出,由于朝檐口的方向采用了磨砂玻璃,外部看到的灯光没有眩光产生,又由于照亮屋脊部分使用的是窄光束角的灯具,即使屋面较长,也不影响照明效果。而且整个灯具的能耗只有0.09W,也就是说每100个灯具才消耗9W,节能效果非常明显。从亮度分布图上(图4)可以看到屋面的亮度基本在2～4cd左右,对于园林内的古建筑和非重点照明的古建筑都比较适用。前者由于处于暗环境的背景下亮度使人能看清屋面造型又不会感觉过于突兀,更能表达一种园林建筑的朦胧美。●LED条形灯具线光源的光通量相对于点光源来说,可以小一点,但是在形体上、色彩上更容易控制。针对这个方面我们还设计了LED的条形灯具。这款条形的LED灯具,它是将一组发光二极管按顺序焊接在槽形的控光线路板上,用树脂将线路板和LED密封在一起,形成一组条形射灯。其断面尺寸宽1.2厘米,长边高2.3厘米,短边高1.2厘米,在安装时,短边紧贴被照物体,长边可避免光线逸出造成眩光。条形射灯的长度可以根据需要决定,还可以根据需要与一些半透明材料组合,可形成发光带、宫灯、灯笼、柱灯等,每米的能耗为4.3W。在选择LED时要先进行配光曲线测试,确定其照度角的范围,再根据数据来排列,做到以最合理的间距来达到有效的光照。其色彩也可以调整,可做成单色或彩色,控光电路还可使灯光显现不同的闪烁效果。我们还在木亭的额枋上加设了LED条形灯具以照亮斗拱、椽子和飞椽(图5、图6)。对比于先前只有屋顶的钉帽灯和内部的LED条形灯的照明方式,后一种照明效果更细腻,对细部的表现更全面,尤其是针对人可进入的古建筑,它不仅看不到光源,没有眩光干扰,而且整体照明均匀柔和,还能照亮斗拱、额枋上的彩绘,对建筑的整体形象表现得更充分。对此种类型的灯具我们还作了振动检测试验,放在振动频率47.5Hz、振幅0.5mm的振动台上测试5min(计振1.425万次)之后通上电源依然能正常启动和保持燃点。此外还进行了冻融试验,将灯放在冷冻箱中制冷到零下25℃后又放入烘箱中加热到80℃循环十次之后接通电源测试,都能正常启动和保持燃点。其中还有一组试验是将灯分别置于零下25℃和60℃的环境中2个小时,此后灯具仍然能正常启动并保持燃点。对这几种灯具我们虽然已经在实验室内对其进行了多方面的测试,但还没有经过实际工程的检验。只有将它放在室外的建筑载体上进行实践,才能就其在外界的真实环境下会出现的问题进行更深入地研究以便对其加以改进,也才能确定它是否能在真实的自然环境中保持正常的工作状态,是否会对周边的生态环境造成影响,是否会有新的问题产生等等。现在颐和园内的一组仿古建筑中即将作为示范工程使用这两种类型的LED灯具,我们将通过这类项目使我们的设计更加完善。4led灯对照明对